岷江上游近59年径流变化及归因识别_陈前.pdf

第 卷第期 年月水电能源科学 ：岷江上游近 年径流变化及归因识别陈前，雷孝章，张崟崟，（四川大学 水利水电学院；水力学与山区河流保护国家重点实验室，四川 成都 ）摘要：为高效利用岷江上游流域的水资源，基于 年流域水文气象资料，采用多种统计学理论分析径流的趋势、周期和突变点，应用基于 理论的弹性系数法（公式）和累积量斜率变化率比较法（法）对径流变化进行归因分析。结果表明，径流以 的速率呈显著减少趋势，并在 年发生突变。径流变化存在、年的主周期，其年内分配不均，主要集中于夏秋两季，占比 。降雨对 径 流 变 化 最 为 敏 感，下 垫 面 参 数 次 之，潜 在 蒸 散 发 最 不 敏 感。公 式 和 法计算出气候变化对径流减少的贡献率分别达到 、，表明气候变化是研究区径流减少的主要因素，而人类活动对径流减少的贡献亦不容低估，贡献率分别达到 、。关键词：岷江上游；径流演变；理论；归因分析中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）收稿日期：，修回日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；四川省科技计划项目（）作者简介：陈前（），男，硕士研究生，研究方向为水土保持，：通讯作者：雷孝章（），男，教授、硕导，研究方向为水土保持，：1概况岷江作为长江上游最重要的支流之一，其上游位于青藏高原东缘的高山峡谷地带，处于青藏高原边缘和成都平原的接壤处，包括四川省阿坝藏族羌族自治州的松潘县、黑水县、茂县、理县和汶川县五个县。岷江上游水系众多，水能资源丰富，蕴藏量达 ，干流全长 ，流域总面积约 ，是“天府之国”的重要生态屏障。随着岷江上游干流径流量持续减少，城市发展需要和灌溉区供水面积增大，水资源供给问题日益紧迫，岷江上游已成为长江上游水土流失最严重的地区之一。目前，关于岷江上游径流归因的研究相对较少，且主要集中在径流演变特征及不同情境下径流模拟等方面，如梁淑琪等发现 年岷江上游径流年内分配呈均 匀 向 不 均 匀 转 变 特 征；梁 小 军 等运 用模型很好地模拟了岷江上游径流变化。因此，本文基于研究区 年气象水文资料，在 对 径 流 演 变 特 征 研 究 的 基 础 上，采 用 公式及 法对径流变化归因，旨在为岷江上游流域水资源合理开发与规划提供参考。2研究资料与方法2.1数据资料数据资料包括 年岷江上游控制站紫坪铺水文站的径流资料和流域内及周边气象站点（松潘、黑水、茂县、汶川、理县、都江堰）的逐日气象资料，径流资料来源于成都市水文局，气象资料来源于四川省气象局，水文站点和气象站点分布见图。采用联合国粮农组织（）的图流域水文和气象站点分布 第 卷第期陈前等：岷江上游近 年径流变化及归因识别 软件计算站点的潜在蒸散发，基于反距离加权法（）算出流域平均潜在蒸散发，基于泰森多边形计算流域面雨量。2.2径流演变特征分析采用趋势分析法、法和分析法对水文气象序列进行趋势检验，采用累计距平法和 检验方法进行突变分析，同时应用 小波分析法研究径流周期性变化。2.3径流归因方法2.3.1弹性系数法弹性系数法中 公式，是在 理论的基础上，采用量纲分析和数学推理方法推导而来，其表达式为：（）（）式中，、分别为流域降雨量、蒸发量、潜在蒸散发和下垫面参数。将式（）代入水量平衡方程，得出新的水量平衡方程为：（）（）假定式（）中各因子是相互独立的，则可写成全微分形式：（）将弹性系数定义为单位影响因素的变化引起的流域径流量的变化程度，其表达式为：（）（）（）式中，为水文气象因素、中的任意一个。将式（）除以径流深可得：（）令，再根据式（），各弹性系数表达式可表示为：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）由 公式求得径流总变化量为：（）式中，为水热耦合平衡方程求得的径流总变化量；、分别为降雨、潜在蒸散发和下垫面参数引起的径流变化量。根据弹性系数、，可分别求得、，计算公式分别为：（）（）（）式中，、分别为降雨、潜在蒸散发、下垫面参数在径流突变前后两个时间段的变化量。根据各水文气象要素的变化量，结合径流总变化量，可求出各因素对径流变化的贡献率：（）（）2.3.2累积量斜率变化率比较法累积量斜率变化率比较法的原理是将各驱动因子（如降雨、潜在蒸发等）累积量 年份的斜率变化率与累积径流深 年份的斜率变化率的比值用于计算各因子对径流深变化的贡献率。将降雨和潜在蒸散发作为气候变化影响径流变化的驱动因素，则降雨、潜在蒸散发对径流变化的贡献率、表示为：（）（）（）（）人类活动对径流变化贡献率为：（）式中，、分别为降雨、径流及潜在蒸散发的斜率变化率。3结果分析3.1水文气象要素趋势分析岷江上游的水文气象要素年际变化见图。由图可知，岷江上游的降雨量、潜在蒸散发和径流深总体均呈减少趋势，其减少趋势分别为、。运用 趋势分析法和 法对水文气象序列进行变化趋势显著性检验，并采用分析法求得 指数，进一步判断序列在未来变化的持续性，结果见表。在置信水平 条件下，趋势分析法和 分析法的统计量临界值分别为 、。由表可知，降雨、潜在蒸散发、径流深的 趋势分析法的统计结果分别为 、，分析法的结果分别为 、，两种方法都只有径流序列的统计量的绝对值超过了检验临界值，说明径流深下降趋势明显，降雨和潜在蒸散发下降趋势 不 明 显，这 与 赵 璐 等研 究 结 果 一 致。由分析 法 的 原 理可知，当 指数大于图水文气象要素年际变化 表水文气象序列趋势检验结果 水文气象要素 趋势分析法 法 显著性 指数降雨 不显著 潜在蒸散发 不显著 径流深 显著 时，其序列变化总趋势与过去相同，越接近，持续性越强，降雨、潜在蒸散发及径流深的 指数分别为 、，说明三者的减少趋势在未来将持续下去，其中潜在蒸散发在未来减少的趋势可能性最大。图水文气象序列突变分析 3.2水文气象要素突变分析水文气象要素突变检验结果见图，根据累积距平法的结果，降雨量、潜在蒸散发、径流深分别在 、年达到顶点，是可能发生突变的年份。降雨量在 年上下波动，随后开始下降，其余两者皆大体在 年开始上升，到达顶点后开始逐年下降。为进一步确定突变年份，采用 检验法分别对水文气象要素进行检验，结果表明三者的突变年份与累积距平法结果一致，但降雨的统计量检验结果为 ，大于显著水平 ，突变不显著，潜在蒸散发和径流深的统计量分别为 、，突变显著。与突变前时段相比，突变后的降雨量、潜在蒸散发、径流深分别减少了 （）、（）、（）。3.3径流年内变化及周期分析表为岷江上游径流年内分配统计。由表可知，各月径流分配极不均匀，呈“不对称双峰型”分布，其中月径流占比最大，为 ，月的径流 占 比 最 小，仅，月 径 流 量 极 值 比 为 。汛期的径流量占全年径流 ，连续个月最大径流量出现在月，约占全年径流量的 。四季中夏季径流占比最高（），秋季次之（），春季较少（），冬季最少（）。表岷江上游径流年内分配 指标春季月月月夏季月月月秋季月 月 月冬季 月月月汛期（月）占比 岷江上游年径流序列的小波方差图见图。由图可知，径流序列存在、年的主周期。其中，年尺度对应第一峰值，表明 年左右的周期振荡最强，为径流变化的第一主周期。图年径流序列的小波方差图 3.4径流归因分析3.4.1弹性系数法以径流突变点作为节点，将研究时段划分为基准期（）和变化期（），根据式（）、（）（）计算各时期下垫面参数及水电能源科学 年第 卷第期陈前等：岷江上游近 年径流变化及归因识别弹性系数，结果见表。表中，整个研究时段的、值分别 为 、，意 味 着 径 流深 随潜在蒸散发和下垫面参数增大而减小，具体表现 为和各 增大，径流 分 别 减 小、，而的值为 ，说明降水增大时，径流增大 。根据弹性系数的定义，其绝对值越大，径流对该因素的敏感性越强。因此，研究时段内径流变化对各因素敏感性的大小具体表现为降水下垫面变化潜在蒸散发。表各时段气象水文变量特征 时期 整个时段 基准期 变化期 由岷江上游径流变化归因分析结果可知，降水、潜在蒸散发和下垫面变化因素导致径流深分别变化 、，贡献率分别达到 、，说明研究区径流减少，潜在蒸散量贡献值为负，降水和下垫面变化贡献值均为正。弹性系数法求得的径流深变化为 ，而岷江上游流域实际径流深 ，双方的误差仅 ，说明该方法在岷江上游流域同样适用。气候变化是引起研究区径流减少的主要因素，下垫面对径流变化的贡献也不容低估，两者贡献率分别达到 、。3.4.2累积量斜率变化率比较法为使弹性系数法的结果更可靠，采用累积量斜率变化率比较法进行验证，结果表明，降水、潜在 蒸 散 发 对 径 流 变 化 的 贡 献 率 分 别 达 到 、，则气候变化 对 其 贡献率 达到 ，人 类 活 动 对 径 流 变 化 的 贡 献 率 为 ，与文献 方法所得结果一致。综上所述，气候变化是径流减少的主要因素，弹性系数法在该流域具有适用性。但无论哪一种归因方法，均将气候变化与人类活动分割成独立的因素，而实际上各因素相互影响，并非相互独立。其次，研究区径流归因分析中仅考虑降水、潜在蒸散发和人类活动个因素，而事实上融雪补给占岷江上游年径流量的，应充分考虑融雪对径流的影响。最后，除由降水和潜在蒸散发组成的气候因素引起的径流量，其余径流变化均统一认为为人类活动所致。结合文献 的研究可知，人类活动一方面通过改变下垫面条件影响径流；另一方面通过修建水利工程影响径流。因此，建议因地制宜地开发水电，积极探求岷江上游水量调配的最优方案，加大水土流失治理力度，在保护水资源的同时进行合理利用。另外，在未来应进一步加强定量分离气候变化和人类活动对径流变化响应，为水资源开发利用提供理论支撑。4结论 岷江上游径流序列呈显著减少趋势，减少幅度约为 （）。径流序列存在多时间尺度周期变化，年是第一主周期，径流在 年发生突变。气候变化是岷江上游径流减少的主要因素，人类活动对径流变化的贡献不容忽视，两种方法计算得到平均贡献率分别为 、。参考文献：梁淑琪，王文圣，黄伟军 年岷江上游径流演变特征分析西北大学学报（自然科学版），（）：梁小军，江洪，王可，等基于 模型的岷江上游干旱河谷区水文特征情景模拟研究干旱区资源与环境，（）：，（）：，（）：，王随继，闫云霞，颜明，等皇甫川流域降水和人类活动对径流量变化的贡献率分析 累积量斜率变化率 比 较 方 法 的 提 出 及 应 用 地 理 学 报，（）：赵璐，崔宁博，梁川，等基于云模型的四川省潜在蒸散量时空分布研究四川大学学报（工程科学版），（）：周登科岷江上游近 年径流对土地利用和气候变化的响应研究雅安：四川农业大学，郭文献，周昊彤，张丽，等 岷江流域径流变化及成因分析 水电能源科学，（）：（下转第页）第 卷第期张泽中等：贵州省烟水工程与烟草干旱匹配度研究 ，：张泽中，袁义杰，谷红梅，等贵阳烟草生长期内旱涝急转特征分析 灌溉排水学报，（）：，：，：赵志龙，罗娅，余军林，等贵州高原 年降水变化特征及重心转移分析地球信息科学学报，（）：毛春艳，戴丽，杨广斌，等 年贵州喀斯特山区干旱时空动态分析水资源与水工程学报，（）：，梁任刚，周旭，李松，等基于 的贵州省干旱时空变化特征及影响因素分析水土保持研究，（）：王亚虹，许自成，高森，等烟草干旱胁迫研究进展节水灌溉，（）：，赵洪春，焦芳蝉，王莎莎，等六个烤烟品种抗旱性与抗寒性的比较鉴定与综合评价 ，（）：，（，；，）：，：；（上接第 页），（；，）：，（）（），：；